一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，使用金属丝材为制备原料，采用高能束热源为能量，用于失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造。采用轻质化的腔体设计与紧凑型的运动系统布置，提升成型区有效空间与系统占用空间比值，满足失重飞行实验平台机械和电气约束条件，开展失重飞行周期性微重力环境下的金属增材制造实验；配备可调真空系统，保证金属丝材增材制造全过程在真空环境中；完整记录制造过程及状态数据，为制造过程的观察与回溯提供技术保障；使用环列式高能束热源聚焦小直径光斑，配合精确送丝系统，保证热源与原材料的对称与同心，实现精密制造。

A metal additive manufacturing device for weightless flight and vacuum conditions

【技术实现步骤摘要】
一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置
本专利技术属于空间制造与材料科学交叉学科领域，涉及一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置。
技术介绍
为满足太空探索中的补给保障，降低运输压力、减少备件数量、及时应对突发状况，同时拓展在轨零部件制造技术，助力深空探索技术的发展，国际上正积极开展太空增材制造技术方面的研究，该研究将为实现空间站即造即用后勤保障提供关键科学基础和关键技术基础，并为满足国家在航空航天、国防军工等领域的重大战略需求提供支撑。鉴于太空中不同于地球表面的高真空度、零重力等外部环境特点，如何在近地模拟太空环境，并基于模拟环境验证太空增材制造技术，尤其是以金属为原材料的增材制造已成为探索太空增材制造技术中的瓶颈难题。失重飞行是指利用改装后的飞机进行周期性的抛物线飞行获得周期性的微重力周期，相较传统落塔试验，失重飞行试验具有更长的失重时间，相对稳定的加速度周期，通常单架次飞行时长在2～3小时左右，单架次飞行可执行30次以上抛物线失重飞行，为空间金属增材制造提供了更优的微重力实验条件。落塔试验技术是开展微重力科学和应用工作的基本手段之一，受限于微重力试验时间、微重力加速度水平以及可允许试验设备的重量和容积等条件限制，大多空间微重力探索试验无法利用其开展，如中国科学院力学研究所建成的微重力落塔，塔高116m，自由落体实验仅获得3.60s的微重力时间，最大冲击加速度＜15g，对于需要一定时长进行金属件制备的空间金属增材制造，无法满足其需求。
技术实现思路
本专利技术提供一种面向失重飞行和真空工况的高能束金属增材制造装置，拓展现有太空增材制造试验研究技术路线，搭建近地空间金属增材制造验证平台，解决除搭载科学卫星及进入空间站外，近地无法同时模拟太空微重力和真空环境进行金属增材制造验证的瓶颈问题。一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定。作为优选，所述实验装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。作为优选，所述真空系统包括真空腔门、真空腔体、真空规、真空泵和真空阀；所述真空腔体和腔门采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；所述真空泵采用多级串联方式保持腔体压力维持在一定真空度；所述真空泵通过真空规获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停。作为优选，所述真空泵包括干泵、罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。作为优选，所述真空阀包括用于节流调速的蝶阀、球阀、隔膜阀、挡板阀、插板阀、角阀和直通阀中的一种或几种。作为优选，所述真空规包括热偶规、电阻规、热阴极规、冷阴极规和复合规中的一种或几种。作为优选，所述金属熔融系统使用单路或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路热源熔融金属丝材时，采用环列式排布，金属丝材位于多路热源中心，多路热源相对金属丝材均匀分布。作为优选，所述高能束机构热源包括激光束、电子束和离子束中的一种或几种。作为优选，所述多路高能束热源数量为2-20。作为优选，所述运动系统包括平面运动机构、垂直运动机构和送丝机构；所述平面运动机构包含不少于2个自由度，其中1个自由度采用滚珠花键配合同步带传动方式，以减少平面运动机构占用空间，基板与平面机构连接并在平面机构的驱动下实现沿水平面的单轴直线运动和多轴耦合曲线运动；所述垂直运动机构包含多组升降单元，多组升降单元双端对称外置式分布，以最大限度保证成型区空间，平面运动机构同垂直运动机构连接，用于实现基板垂直升降；所述送丝机构包括丝盘、丝盘限位器、送丝器和导丝管，所述丝盘悬挂固定，丝盘限位器与丝盘相连接，用以限制丝盘除旋转方向外的自由度，所述送丝器通过低转矩真空电机驱动单组或多组成对送丝轮碾压出丝，在送丝器的出丝端设置有导丝管用于精定位导向。作为优选，所述监测系统包括失重飞行加速度采集器、热电偶、高速红外热像仪、高速摄像机、焊接相机和照明光在内的测量、观测及辅助照明工具；所述监测系统连续采集并记录失重飞行过程中的三轴加速度数据；所述监测系统采集成型过程中的高速影像，记录金属丝材熔融成形的全过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征。作为优选，所述三轴加速度正方向分别为飞行器底板指向顶板、飞行器尾部指向头部和飞行器左侧指向右侧。作为优选，所述监测系统在观测物距不小于300mm时，清晰记录成型过程中不大于10mm×10mm视场的影像(覆盖最大熔体区间)。如上所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置在失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造中的应用。运用如上所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置制造出的结构体。有益效果在于：本专利技术提供提供一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，为金属空间增材制造的近地验证提供了有效的技术平台：采用轻质化的腔体设计和紧凑的系统布置，最大限度提升成型区有效空间与系统占用空间比值，满足失重飞行实验平台机械和电气约束条件，使装置可在失重飞行产生的周期性微重力环境下进行金属增材制造实验；装置配备可调真空系统，保证金属丝材增材制造全过程在真空环境中；具备在微重力和真空环境中模拟太空关键条件的工况下，完整记录制造过程及状态数据的能力，记录金属增材制造过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征，为制造过程的观察与回溯提供技术保障；使用环列式高能束热源聚焦小直径光斑，配合精确送丝系统，保证热源与原材料的对称与同心，实现精密制造。附图说明图1为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置正视图；图2为金属增材制造装置中真空系统的轴侧示意图；图3为金属增材制造装置中金属熔融系统正视图；图4为金属增材制造装置中运动系统轴侧示意图；图5为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置实物图。附图各部件标记如下：真空系统10，金属熔融系统20，运动系统30，监测系统40，失重飞行机舱轨道对接板50；真空腔门11，真空腔体12，观察窗13，加强筋14，真空规15，分子泵16，干泵17；第一聚焦光路21，第二聚焦光路22，第三聚焦光路23，第四聚焦光路24，第五聚焦光路25，安装座26，送丝嘴27，光束汇聚点28，来料丝材29；平面运动机构31，第一垂直运动机构32，第二垂直运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定。


2.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述实验装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。


3.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空系统包括真空腔门、真空腔体、真空规、真空泵和真空阀；
所述真空腔体和腔门采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；
所述真空泵采用多级串联方式保持腔体压力维持在一定真空度；
所述真空泵通过真空规获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停。


4.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空泵包括干泵、罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。


5.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空阀包括用于节流调速的蝶阀、球阀、隔膜阀、挡板阀、插板阀、角阀和直通阀中的一种或几种。


6.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空规包括热偶规、电阻规、热阴极规、冷阴极规和复合规中的一种或几种。


7.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述金属熔融系统使用单路或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路热源熔融金属丝材时，采用环列式排布，金属丝材位于多路热源中心，多路热源相对金属丝材均匀分布。


8.根据权利要求7所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述高能束机构热...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，张祺，马红林，曹洪忠，刘基权，王国玉，范树迁，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50